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  軟體驅動器具有彈性、可連續變形、能順應復雜環境以及具有高的安全性等諸多優勢，在傳感器、可穿戴設備、人造肌肉、生物醫學和能源收集等諸多領域具有廣闊的應用前景。為滿足實際應用的需求（如醫療機器人等），軟體驅動器應同時具備如下特性：（1）小型化以實現對有限密閉空間的最小侵入性訪問；（2）“開”和“關”的狀態具有較大的性能差異，既足夠軟以順應各種幾何環境，又足夠硬以便能執行各種任務；（3）具有優異的驅動性能，如高能量密度、高驅動應變、高驅動應力和大舉重比等；（4）可編程的變形能力。若具備上述特性，軟體驅動器便可在執行任務時（如靶向藥物遞送/釋放和微創手術）靈活地適應可能遇到的復雜和動態環境。然而，受限于設計和制造方法的不足，軟體驅動器往往無法同時滿足上述四個特性。

  近日，王立秋教授團隊通過將仿生學設計和微流控技術相結合，實現了 “剛柔并濟”的微型軟體驅動器。仿生設計原理結合了海參真皮和植物卷須的結構和功能特征，分別實現了“剛柔并濟”和可編程形變的獨立調控和協同設計，提高了軟體驅動器的整體性能。液滴微流控技術實現了微纖維型軟體驅動器的精確制備。

圖1. （a-c）仿生驅動器的設計靈感，分別結合了海參真皮（a）和植物卷須（b）的性能；（d）驅動器變形的示意圖；（e）微流控技術用于制備微型驅動器。（a）中海參照片作者為Fran?ois Michonneau，按照CC BY 3.0許可使用，（b）中植物卷須照片作者分別為W. Carter（上，CC0，維基共享資源）和Jon Sullivan（下，維基共享資源）。

  該仿生軟體驅動器呈微纖維狀，內部嵌入有序排列的不對稱微顆粒條帶。微纖維由海藻酸鹽和硅藻土復合材料構成，海藻酸鹽對濕度變化進行響應，硅藻土用于增強海藻酸鹽水凝膠網絡。不對稱微顆粒材料為乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA），對濕度不響應。當環境濕度變化時，不對稱微顆粒兩側的微纖維產生不同程度的體積變化，從而發生形變。

  驅動器在吸水和脫水狀態下呈現出極大的機械性能差異，其楊氏模量、最大應力、最大應變、剛度等性能變化程度高達20-850倍，實現了剛柔并濟的特性。因此，該驅動器可輸出優異的機械功，其做功的能量密度、驅動應變和驅動應力分別超過天然肌肉4倍、>2倍和>30倍，并實現了高達17000倍的舉重比（舉起的載荷與驅動器的質量比）。

圖2. （a）做功的能量密度和舉重比；（b-d）提起重物；（e）驅動應變；（f-g）驅動應力；（h）驅動速率；（i-k）微型抓手。

  由于其獨特的核-殼結構設計，軟體驅動器的形變程度在局部和全局尺度下均精確可調。利用微流控技術改變微纖維和微顆粒的幾何形貌和尺寸，可進一步實現不同類型的可編程形變，如彎曲、扭轉、收縮、滾動及其各種組合等。

圖 3. （a-d）四種基本形變：彎曲、扭轉、收縮、滾動;（e）不同形變的組合；（f）模擬植物藤蔓；（g-k）可逆形變。

  這項工作提供了一種新的、通用的方法來設計和制造新型軟體微型驅動器，相關成果以Bioinspired Soft Microactuators為標題發表在Advanced Materials上。論文的第一作者為朱平安博士，目前為香港城市大學機械工程系助理教授，通訊作者為香港大學王立秋教授，共同作者還包括哈佛大學Michael Aizenberg和Joanna Aizenberg教授。

  論文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008558